外轉子結構的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機的製作方法

2023-10-11 19:20:59

專利名稱：外轉子結構的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種外轉子結構的磁懸浮垂直軸風力發電機，具體是一種外轉子結構 的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機，屬於風力發電技術領域。
背景技術：
風力發電的原理是利用風力帶動發電機轉子旋轉產生電能，通過對不同發電方式 進行比較，可以發現風力發電是完整意義上的綠色電力——無汙染、可再生，用之不竭。全 球的風能蘊量巨大，約為2. 74X109MW。可利用的風能約為2 X 107MW，約為地球上可開發的 水能總量的10倍。我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約為10億kW，其中，陸地上 風能儲量約為2. 53億kW(離地IOm高度)，海上可開發和利用的風能儲量約為7. 5億kW。 在世界各國重視節能環保的今天，風力發電對改善地球生態環境，減少空氣汙染有著非常 積極的作用，世界各國也都越來越重視風力發電的研究和應用。在風力發電中，可以被用來產生電能的風能是介於切入風速和停機風速之間的風 速段，降低啟動風速和切入風速就能夠增加有效風能的利用量，就可以在相同風速下產生 更多的電能，從而能夠更充分地利用風力來發電。但是，在設計風力發電機時，為了獲得較 低的切入風速，不得不降低風力發電機的輸出功率，為了解決這一矛盾，人們將磁懸浮技 術應用到了風力發電機轉子的支承上，用磁懸浮軸承代替傳統的機械軸承，這樣做不但可 以大幅度的降低轉子和軸承間的摩擦力、摩擦力矩，實現風力發電機的「輕風起動、微風發 電」，擴大風力資源的利用率，提高發電效率，還可以免除以往機械軸承使用和維護的高額 費用，降低風力發電成本，這不僅有利於我國風力發電的普及和風電事業的發展，而且對我 國實施節能減排工作起著重要的推動作用。按照風葉軸的不同，風力發電機可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機， 水平軸風力發電機是目前國內外研製最多，最常見也是技術最成熟的一種風力發電機，其 啟動力矩較大，風能利用係數高，但是為了使風輪始終正對風向，該類型的風力發電機需裝 有調向裝置。水平軸風力發電機的葉片在旋轉一周的過程中，受慣性力和重力的綜合作用， 慣性力的方向是隨時變化的，而重力的方向始終不變，這樣葉片所受的就是一個交變載荷， 這對於葉片的疲勞強度是非常不利的。另外，水平軸的發電機都置於幾十米的高空，這給發 電機的安裝和維護檢修帶來了很多的不便。垂直軸風輪的葉片在旋轉的過程中的受力情 況要比水平軸的好的多，由於慣性力與重力的方向始終不變，所受的是一恆定載荷，因此疲 勞壽命要比水平軸的長。同時，垂直軸的發電機可以放在風輪的下部或是地面，便於安裝 維護，但是垂直軸風力發電機存在起動性能差，起動風速高的缺點，這限制了其在風力發電 領域的廣泛應用，為了解決這一問題，一股採用磁懸浮軸承技術將發電機轉子懸浮起來以 減小轉子所受到的摩擦力，改善發電機的起動性能。根據懸浮力是否可控，磁懸浮軸承可分 為被動型和主動型兩種類型。被動型磁懸浮軸承主要利用磁性材料之間固有的斥力或吸力 (如永磁材料之間，永磁材料與軟磁材料之間)來實現轉軸的懸浮，其結構簡單，功率損耗 少。主動型磁懸浮軸承主要是通過主動控制定、轉子之間的磁場力來實現轉軸的穩定懸浮，一套完整的主動型磁懸浮軸承系統通常由磁懸浮軸承本體、位移傳感器、控制器以及功率 放大器組成，根據偏置磁場建立方式的不同，主動型磁懸浮軸承可分為全電磁型與電磁永 磁混合型。全電磁型磁懸浮軸承的偏置磁場與控制磁場均由電磁鐵產生；電磁永磁混合型 磁懸浮軸承採用永磁材料來建立偏置磁場，能夠較大程度地降低磁懸浮軸承的功率損耗。

發明內容
本發明的目的在於提出一種維護費用低、風能利用率高、起動風速低的外轉子結 構的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機。本發明包括風葉，外殼，分別位於外殼底部和頂部的永磁型徑向磁懸浮軸承A轉 子、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子，安裝在外殼內壁上的電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承 轉子A、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B、發電機轉子，自上而下設置在定子軸上的 永磁型徑向磁懸浮軸承B定子、發電機定子、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子、永磁型 徑向磁懸浮軸承A定子；永磁型徑向磁懸浮軸承B定子位於永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子 內，發電機定子位於發電機轉子內，永磁型徑向磁懸浮軸承A定子位於永磁型徑向磁懸浮 軸承A轉子內；電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子位於電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承 轉子A、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B之間；定子軸的兩端分別從外殼的頂部和底 部伸出外殼。上述永磁型徑向磁懸浮軸承B定子外端面與永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子內端面 之間、發電機定子外端面與發電機轉子內端面之間、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子 下端面與電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A上端面之間、電磁永磁混合型軸向磁懸浮 軸承定子上端面與電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B下端面之間、永磁型徑向磁懸浮 軸承A定子外端面與永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子內端面之間均存在氣隙。上述氣隙的作用主要是作為磁場能量存儲的介質，其寬度優選0. 3 1. 5mm。上述永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子分別嵌入外殼 的底部和頂部，其外端面分別與外殼的底部外端面和頂部外端面位於同一個平面上；相應 的，永磁型徑向磁懸浮軸承A定子、永磁型徑向磁懸浮軸承B定子的外端面也分別與外殼的 底部外端面和頂部外端面位於同一個平面上。基於上述結構，本發明的磁懸浮風力發電機具有以下優點本發明利用兩個永磁型徑向磁懸浮軸承實現轉子在四個徑向自由度上的懸浮，利 用一個電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承實現轉子在軸向自由度的懸浮，不但實現了轉子的 全懸浮，減少了維護成本、摩擦損耗，降低了切入風速，而且簡化了風力發電機磁懸浮軸承 系統的結構，降低了磁懸浮軸承系統的能量損耗，提高了能量轉換的效率。相對於傳統的垂 直軸風力發電機，本發明具有風能利用率高、起動風速低、無噪音等眾多優點，具有廣闊的 市場應用前景。


圖1是外轉子結構的磁懸浮垂直軸風力發電機結構平面示意圖。圖1中標號名稱1、風葉。2、外殼。3、永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子。4、電磁永 磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A。5、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B。6、發電機轉子。7、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子。8、永磁型徑向磁懸浮軸承B定子。9、定子軸。10、發 電機定子。11、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子。12、永磁型徑向磁懸浮軸承A定子。
具體實施例方式如圖1所示，永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子3、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉 子A4、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B5、發電機轉子6、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉 子7均套裝在外殼2內部，其外端面均與外殼2的內端面接觸，風葉1固定在外殼2的外端 面上。其中，電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A4位於永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子3、 電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11之間，電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B5位 於發電機轉子6、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11之間，發電機轉子6位於永磁型徑 向磁懸浮軸承B轉子7、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B5之間。永磁型徑向磁懸浮 軸承B定子8、發電機定子10、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11、永磁型徑向磁懸浮 軸承A定子12均套裝在定子軸9外部，其內端面均與定子軸9的外端面接觸。其中，永磁 型徑向磁懸浮軸承B定子8位於永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子7內端面形成的軸孔中，且 永磁型徑向磁懸浮軸承B定子8外端面與永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子7內端面之間存在 微小氣隙；發電機定子10位於發電機轉子6內端面形成的軸孔中，且發電機定子10外端面 與發電機轉子6內端面之間存在微小氣隙；電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11位於電 磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A4、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B5之間，且電 磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11下端面與電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A4上 端面之間存在微小氣隙，電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子11上端面與電磁永磁混合 型軸向磁懸浮軸承轉子B5下端面之間存在微小氣隙；永磁型徑向磁懸浮軸承A定子12位 於永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子3內端面形成的軸孔中，且永磁型徑向磁懸浮軸承A定子 12外端面與永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子3內端面之間存在微小氣隙。本發明利用永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子3與永磁型徑向磁懸浮軸承A定子12 之間的相互作用、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子7與永磁型徑向磁懸浮軸承B定子8之間 的相互作用實現轉子在徑向四個自由度上的被動懸浮，利用電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸 承定子11與電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A4、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉 子B5之間的相互作用實現轉子軸向自由度的主動懸浮。採用本發明利用風力發電時，風吹向風葉1，風葉1帶動外殼2轉動，外殼2帶動套 裝在其內部的發電機轉子6旋轉，使發電機定子10發出電能。
權利要求
一種外轉子結構的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機，其特徵在於包括風葉(1)，外殼(2)，分別位於外殼(2)底部和頂部的永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子(3)、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子(7)，安裝在外殼(2)內壁上的電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A(4)、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B(5)、發電機轉子(6)，自上而下設置在定子軸(9)上的永磁型徑向磁懸浮軸承B定子(8)、發電機定子(10)、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子(11)、永磁型徑向磁懸浮軸承A定子(12)；永磁型徑向磁懸浮軸承B定子(8)位於永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子(7)內，發電機定子(10)位於發電機轉子(6)內，永磁型徑向磁懸浮軸承A定子(12)位於永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子(3)內；電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子(11)位於電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A(4)、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B(5)之間；定子軸(9)的兩端分別從外殼(2)的頂部和底部伸出外殼。
2.如權利要求1所述的發電機，其特徵在於永磁型徑向磁懸浮軸承B定子(8)外端 面與永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子(7)內端面之間、發電機定子(10)外端面與發電機轉子 (6)內端面之間、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子(11)下端面與電磁永磁混合型軸向 磁懸浮軸承轉子A(4)上端面之間、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子(11)上端面與電 磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B (5)下端面之間、永磁型徑向磁懸浮軸承A定子(12) 外端面與永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子(3)內端面之間均存在氣隙。
3.如權利要求2所述的發電機，其特徵在於所述所隙的寬度在0.3 1. 5mm之間。 如權利要求1或2或3所述的發電機，其特徵在於永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子 (3)、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子(7)分別嵌入外殼(2)的底部和頂部，其外端面分別與 外殼(2)的底部外端面和頂部外端面位於同一個平面上；相應的，永磁型徑向磁懸浮軸承A 定子(12)、永磁型徑向磁懸浮軸承B定子(8)的外端面也分別與外殼(2)的底部外端面和 頂部外端面位於同一個平面上。
全文摘要
一種外轉子結構的五自由度全懸浮垂直軸風力發電機，包括風葉，外殼，分別位於外殼底部和頂部的永磁型徑向磁懸浮軸承A轉子、永磁型徑向磁懸浮軸承B轉子，安裝在外殼內壁上的電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B、發電機轉子，自上而下設置在定子軸上的永磁型徑向磁懸浮軸承B定子、發電機定子、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子、永磁型徑向磁懸浮軸承A定子；電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承定子位於電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子A、電磁永磁混合型軸向磁懸浮軸承轉子B之間；定子軸的兩端分別從外殼的頂部和底部伸出外殼。本發明維護費用低、風能利用率高、起動風速低，在風力發電領域有廣闊應用前景。
文檔編號H02K16/00GK101915214SQ20101023395
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者張廣明, 梅磊, 王德明 申請人:南京工業大學